超声搅拌挤压铸造参数对AA2014/nAl2O3复合材料微观结构与力学性能的影响研究

为解决航空航天领域对轻量化高性能材料的需求，研究人员通过搅拌-超声-挤压铸造（Stir-Ultrasonication-Squeeze casting）技术制备AA2014/nAl2O3纳米复合材料，利用Taguchi L16正交阵列优化工艺参数（超声功率1500-2250 W、时间4-16 min等）。结果表明，2 wt% Al2O3、2250 W超声功率和16 min处理时间组合下，材料硬度达149 VHN，抗拉强度338 MPa，孔隙率降至0.141%。该研究为克服铝基复合材料（AMMCs）润湿性差和颗粒分散不均问题提供了有效方案，显著提升了材料性能。

　　

随着航空航天工业对轻量化、高强度材料的迫切需求，铝基复合材料（Aluminum Matrix Composites, AMMCs）因其优异的比强度和耐磨性成为研究热点。然而，传统制备方法中纳米颗粒分散不均、界面结合弱等问题严重制约了材料性能。AA2014铝合金因其高铜含量和热处理特性备受关注，但如何通过纳米Al₂O₃增强进一步提升性能，仍是亟待解决的难题。

为突破这一瓶颈，A. Gnanavelbabu团队创新性地将搅拌铸造、超声处理（Ultrasonic Treatment, UST）和挤压铸造技术相结合，系统研究了工艺参数对AA2014/nAl₂O₂复合材料的影响。研究通过Taguchi L16正交实验设计，优化了超声功率、时间、挤压压力等关键参数，并采用光学显微镜（OM）、高分辨扫描电镜（HR-SEM）和X射线衍射（XRD）等手段分析了材料微观结构与性能的关联性。

关键技术方法

研究采用底部浇注式搅拌-超声-挤压铸造装置，在氩气保护下熔融AA2014合金，加入预处理的20-30 nm Al₂O₃颗粒。通过500 rpm机械搅拌和2.25 kW/20 kHz超声处理实现颗粒分散，随后施加50-200 MPa挤压压力成型。材料经T4固溶（510°C/2 h）和T6时效（165°C/14 h）热处理后，通过密度测量、硬度测试和拉伸实验评估性能。

研究结果

1. 1.

   微观结构分析：超声功率2250 W、时间16 min条件下，复合材料晶粒尺寸最小（43 μm），Al₂O₃分散均匀且无有害金属间化合物。XRD证实基体中仅存在α-Al和CuAl₂相，无界面反应产物。

2. 2.

   物理性能：最优参数组合（2 wt% Al₂O₃、2250 W、150 MPa）下，实测密度达2.823 g/cm³，孔隙率仅0.141%，较传统工艺降低58%。

3. 3.

   力学性能：硬度（149 VHN）和抗拉强度（338 MPa）分别提升25%和47%，延伸率提高至11.2%。断裂形貌显示，高超声功率样品呈现均匀韧窝结构，表明塑性变形能力增强。

4. 4.

   强化机制：热膨胀系数（CTE）失配强化贡献最大（Δσ_CTE=88.11 MPa），其次为Orowan强化（Δσ_OR=214.41 MPa）。Hall-Petch效应因晶粒细化进一步提升了屈服强度。

结论与意义

该研究通过多工艺协同优化，成功解决了纳米颗粒团聚和孔隙率高的技术难题。超声空化效应（Cavitation）与挤压压力的结合，显著改善了熔体浸润性和颗粒分散度。研究成果为航空航天结构件提供了高性能材料制备方案，其参数优化模型还可推广至其他金属基复合材料体系。论文发表于《Materials Chemistry and Physics: Sustainability and Energy》，为轻量化材料设计提供了重要理论依据和工艺参考。